基于技术的独立逆变电源设计

1、摘 要摘要不断发展，能源短缺成为人们关注的重要问题之一。风能、太阳能等可再生的利用，得到广泛关注。于是，如何将蓄电池、发电机等所供给的直流或交流电转化成设备所需要的交流电成为逆变电源研制领域所要解决的问题。文章首先了逆变过程中采用的技术原理，即 SPWM 技术；其次，对逆变电源系统的主要电路设计进行了详细，该电路设计主要分为高频升压电路，整流电路，逆变电路以及保护电路。文章对电路设计中涉及的各个做以，重点是通过采用PIC16F716 对电路系统的，通过该实现了对反馈电压的调节及短路保护，更重要的是利用其 PWM 波形输出功能有效的输出 SPWM 序列，完成 SPWM做了分析，详细的设计，实现对

2、逆变电路的；文章还对系统软件编程部分了程序设计中用到的各个寄存器及其功能，给出了程序设计流程图。随着高频技术的不断发展，高频变压器的应用也日渐丰富，课题设计中高频升压电路单元中涉及到了高频变压器的应用，于是文章最后了在本设计参数要求下的高频变压器的设计，文中了两种变压器磁芯选择法，得出磁芯型号后通过计算得到各个所需参数可供实体设计作为参考。本文从硬件和软件两方面展开分析，对逆变电源的设计具有一定的参考价值。逆变电源SPWM 技术逆变高频变压器IAbstractAbstractWith the development of the social technology, the shortage

3、of energy becomes one ofthe most important issues which are concerned. Wind, solar energies for the use of renewableresources, are widely public concerned. So how will the battery and terator for thesupply of direct or alternating current into device needs to be against the power sector has develope

4、d to solve the problem. AC or DC supply into AC power which are needed for devices become the focus of inverter development to solve the issue. This article is based on this issue analysis.Firstly the article introduces the inverter core technology. The technology which is SPWM technology is used in

5、 the process; Secondly, the circuit design of inverter power system is analyzed in detail, the circuit is mainly composed of a high-frequency step-up circuit, rectifier circuit, level frequency inverter circuit. The article also introduces each control chip which are involved in the circuit design.

6、A focus on the circuit by using PIC16F716 chip plays an important part in the system controlling, which achieves through the chip to control the feedback voltage regulation and short circuit protection. More importantly,it is the use of the PWM waveform output function valid output SPWM sequences to

7、 achieve full-bridge inverter control. The article also analyzes the system of software program, detailing the procedures used in the design and the function of each register.The program flow chart is given. With the continuous development of high-frequency technology, people use high-frequency tran

8、sformer more and more. The paper finally introduces the request of the design parameters of a high-frequency transformer design.It introduces transformer core selection method,which is used commonly. We take each parameter obtained for the physical design as a reference.In this paper, we analy the t

9、echnology and the design on two aspects of hardware andsoftware , we hope that this design of inverter has some reference value.Key words: Inverter power SPWM technology Full-bridge inverter High-frequency transformerII第 1 章引言第1章引言1.1课题研究背景现实状态下，人类努力实现着和的可持续发展，但是在有限和环保严格要求的双重制约下，发展问题成为重要话题，而更为突出的却是能

10、源问题。其主要体现在环境污染、能源短缺、温室效应等问题上。于是，人们开始试图通过依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源的途径来缓解现实困境。另一个就是由于太阳能、风能等能源具有储量大、普遍、利用、清洁环保等优点，因此这些资源的利用也越来越受到人们的关注，并将这些能源作为理想的替代能源。其实，从20世纪90年市场的始，太阳能发电、风力发电等可再生能源的利用技术已经成为世界能源电力迅速发展起来了。光伏发电系统主要由太阳电池阵列、充电器、蓄电池及逆变电源等组成，其中逆变电源是系统中的重要组成部分，它完成直流电能到交流电能的变换，即将太阳能电发出的直流电能变换为用户要求的高质量定频定压正弦交流电

11、能12。在这个过程中，首先需要有合理的电路结构，还要严格的元器件筛选，这是保证逆变电源质量不受影响的必备条件，不仅如此，逆变电源还应具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护、交流输出短路保护、输出电压反馈保护、蓄电池欠压保护、过载保护及系统过热等3；除此之外，还要求系统能够适应较宽的直流电压输入范围，且其输出电压与频率保持稳定状态，并且具有良好的负载变化动态响应性能。高性能的逆变电源还需要对输出电压进行更高要求的高频滤波处理，以满足通用电子设备对 EMI 和 EMC 的指标要求。由此可见逆变电源技术涉及了电力电子技术、电磁理论、计算机技术等多个学科，其相关在工业应用和日常生活方面，具有广阔的市

12、场和应用前景。1.2逆变技术概况逆变电源的发展一般认为分成两个阶段。第一个阶段为十九世纪中后期的传统发展阶段。这个阶段的开关器件主要以低速器件为代表，逆变器的开关频率都比较低，波形以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率低，于是正逆变器开始出现。再一个阶段就是从 1980 年到现在的高频化新技术阶段，这一阶段的开关器件逐渐以高速1河北大学工学器件为主，其开关频率也比较高，用 PWM 法为主要技术来波形，体积重量相对较小，逆变效率明显提高，逆变技术经历了不同的阶段逐渐发展起来，从一开始通过直流电-交流发电机的旋转方式逆变技术，发展到二十世纪六七十年代的晶闸管逆变技术，再到 21 世纪，逆变技术多

13、数采用了 MOSFET、GTO、IGCT、MCT 等多种先进且易于的功率器件，电路的发展也从模拟集成电路发展到单片机甚至采用数字信号处理器（DSP）。各种现代理论例如神经、自适应、模糊逻辑、自学习等先进理论和算法也大量应用在逆变技术领域。现代逆变技术囊括了半导体功率集成器件的应用、功率变换电路和逆变技术三部分内容。从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站，逆变技术的应用领域达到了前所未有的广阔。不仅如此，逆变电源在人们的日常生活中起到了不可或缺的作用：变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；发电设备从常规化石能源的火力发电设备到可再生能源发电的太阳能风力发电设备，也逆变电源的

14、。毋须怀疑，随着计算机科学技术和各种新型功率器件的不断发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展3。常用逆变器按照直流侧电源性质可分为电压型逆变器和电流型逆变器。直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是直流源的称为直流型逆变电路。在本课题研究中我们多采用电压型逆变电路。电压型逆变电路有以下几个特点：1) 直流侧为电压源，或并联有大电容，此时电容可视为电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路表现为低阻抗。2)因为直流电压源具有箝位作用4，所以交流侧输出电压般为矩形波，并且与电路负载的阻抗角没有关系。而交流侧输出电流波形和相位因电路负载阻抗情况的不同而有所不同。3)当交流

15、侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧电容就起到了缓冲无功能量的作用。逆变桥各臂并联反馈二极管的作用就是为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。工业上使用的逆变器一般和市电的样，均为正输出，例如电力逆变器，通信逆变器；另外还有一种输出为方波或阶梯波或正的，这一类逆变器一般都可以应用在民用场合，如车载式逆变器，太阳能家用逆变器，一般均为小功率（1KVA以下），中大功率（1KVA 以上）一般均做成正的了。正逆变器还可以分为两大类：即高频逆变器和工频逆变器两种。工频逆变器制作技术成熟，系统性能稳定，过载2第 1 章 引言能力强，主要缺点为体积庞大、笨重；然而高频逆变器是近几年在市场上才出现的，

16、它效率很高、技术指标优越，尤其是重量轻、体积小、高功率密度，都是现代电力电子发展所需要的，现在这种高频逆变器已经抢占了中小功率逆变器一半以上的市场。有些高频逆变器单元已经做到了 30KVA，从技术发展和生产成本来看，高频逆变器取代工频逆变器已经是必然的。因此，逆变技术的研究对于工业技术的发展和人们的生活都具有重大的意义。1.3本文研究主要内容本文主要基于SPWM技术的逆变电源的电路设计，实现24V直流输入到220V/50Hz正弦交流输出的功能。结合现在市面上已有的各种的功能对SPWM电路进行电路设计，在此过程中利用了性能可靠地可编程单片微型机PIC16F716进行各种及保护输出，提高了电路系统

17、的可靠性。本文主要的研究内容如下：1.2.3.4.对基于SPWM技术的高频逆变电源进行了设计和实现；应用单片微机PIC16F716完成了基于SPWM技术的逆变电源的软硬件设计； 高频变压器的设计；对文章的总结。3河北大学工学第2章正弦脉宽调制(SPWM)技术原理2.1脉宽调制(PWM)技术原理由于电力半导体器件的出现，不仅大大简化了逆变电路的结构，而且在晶闸管类的半控型器件与策略上也由原来的相位技术改变为脉冲宽度技术，这种技术简称为 PWM 技术。PWM (Pulse Width Modulation)技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形

18、，其中包含波形形状及幅值。PWM 技术理论依据是采样定理：即冲量相等但是形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。正弦半波分成 N 等分，就可以形成 N 个彼此相连的脉冲序列，正弦半波就可以看成是由这些序列彼此相连组成的。这些脉冲的特点是脉冲顶部是曲线，宽度相等(都等于/ N )，但是幅值不等且各脉冲的幅值是按正弦规律变化的。如果利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替上述脉冲序列，使矩形脉冲和相应的正部分面积(冲量)相等，且使矩形脉冲的中点和相应正部分的中点重合。这时，我们得到的脉冲序列就是 PWM 波形。根据面积等效原理，正弦半波和 PWM波形是等效的。而且波形5。正的负半周

19、，也可以用同样的方法得到 PWM图2-1PWM 波形图4第 2 章 正弦脉宽调制(SPWM)技术原理图2-2PWM 波形图PWM 技术可以非常有效地进行谐波抑制，在效率、频率各方面有着明显的优点，使逆变电路的可靠性与技术性能得到了明显的提高。采用 PWM 方式的逆变器，其输入端电压为直流而且是固定不变的，PWM 技术可以在同一逆变器中既实现调频又实现调压。由于这种逆变器只有一个可控的功率级，简化了主回路和回路的结构，因而可靠性高、质量轻、体积小。又因为既能够调频又能够调压，所以系统的动态响应好、调节速度快。此外，在并网系统中，利用这种技术不仅可以提供良好的逆变器输出电流和电压波形，而且能够提高

20、逆变器对交流电网的功率因数。脉冲宽度按正弦规律变化并和正等效的 PWM 波形称为 SPWM 波形。按调制脉冲极性关系还可分为单极性 SPWM 和双极性 SPWM 两种：SPWM(1)单极性 SPWM 法单极性是指在输出波形的半个周期内，逆变器的同一桥臂上的两个开关元件只有一个处于不断切换的开关状态，另一个则始终处于关断状态。所以，输出波形在任何半周期内始终保持一个极性不变，单极性方式的 SPWM 波形输出如图2-3，利用单极性等腰三角形波作为载波信号uT ，正形作为信号uc ，倒相信号ux 用来处理两者间的配合关系。当uc > uT 时，元件开通；当uc < uT 时，元件被关断，

21、形成的调制波就是等幅、等距且不等宽的脉冲序列，最后经半波倒输出。如果改变信号uc 的幅值，调制波的脉宽也将随之改变，这样就可以改变输出电压的大小了。如果改变信号uc 的频率，则输出电压的频率也将随之而改变，这样既可以实现调频又可以实现调压的目的。5河北大学工学图 2-3 单极性 SPWM 波形分析(2)双极性 SPWM 法双极性则是指在输出波形的半个周期内，逆变器同一桥臂中的两只元件都处于不断切换的开关状态，但它们之间是互补的开关状态，即通断状态彼此是相反交替着的。这样做，最终可以使输出波形在任何半周期内都会出现正、负极性电压交替的情况，所以称为双极性，如图 2-4 所示。与单极性方式的结果不

22、同，双极性的波和载波都变成了有正、负半周的交流方式，其输出矩形波也出现了在任意半现正负交替的情况6。出图 2-4 双极性 SPWM 波形分析以看出，单相桥式电路既可以采用单极性调制，也可以采极性调制，只规律不同，输出波形也有所不同。本文 SPWM 波形采是由于他们对功率开关管的6第 2 章 正弦脉宽调制(SPWM)技术原理用单极性调制。2.2正弦脉宽调制(SPWM)技术的实现方法SPWM技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了 SPWM 技术。逆变电路是 SPWM技术最为重要的应用场合。SPWM 逆变电路可以分为电流型和电压型，目前实际应用的 SPWM 逆变电路几乎都

23、是电压型电路，本课题研究中也是以电压型 SPWM 逆变电路为主要设计电路。电压型 SPWM 逆变电路的算法有以下几种。2.2.1 计算法根据 SPWM的基本原理，如果给出了逆变电路的正输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，SPWM 波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来了。按照逆变电路中各个开关器件的开通及关断，就可以得到所需要的 SPWM 波计算结果形。这种方法就称为计算法5。但是该种方法计算繁琐，当需要输出的正幅值或相位发生变化时结果都要改变，因此应用较少。的频率、2.2.2 调调又分为自然采样法和规则采样法。自然采样法：按照 SPWM技术的基本原理，在三角波和正的自然交点时刻功率开关

24、管的开通与关断，由这种方法生成 SPWM 波形的方法称为自然采样法。自然采样法是一种最基本的方法，但是这种方法比其他方法不被采用的是需要求解复杂的方程，在采用微机技术时必需花费大量的计算时间，实现实时中的计算比较；规则采样法3：这是一种被广泛应用的方法，其效果接近于自然采样法，比自然采样法的计算量要小很多。规则采样的主要原则是，在三角波每一个周期内的固定时刻，找到正弦调制波上的对应电压值，就用此值对三角波进行采样，那么这个固定时刻就作为功率开关管的导通与关断时刻，不用再管正与三角波是否在采样点上相交。规则采样法的原理由下图表示。图中 Te 为载波周期，Tc 为正原理得到脉宽时间为：周期。则根据

25、相似三角形Tc (1+ MSinWtTe)t2=27河北大学工学t = t = 1 (T - t ) = Tc (1 - MSinwtT)间隙时间13c2e22图2-5 生成 SPWM 脉宽的规则采样法以三角波法为例。生成 SPWM 波形要求按正弦规律脉冲列的脉宽。其原理是，将等腰三角形载波与正弦波通过比较器进行比较，则在比较器输出端就形成了SPWM 波。可见，生成 SPWM 波的电路必须由三部分组成：三角波发生器、正生器和比较器，其框图及波形示意如图 2-6 所示。发图 2-6 生成 SPWM 波的电路框图及波形示意图以看出，若等腰三角载波的频率是正频率的 N 倍时，N 称为载由图中的8第

26、2 章 正弦脉宽调制(SPWM)技术原理，则正形在一个周期内被划分为 N 等分，并对应着 N 个宽度不等的矩形脉冲。当 N 足够大时(例如 N20)， 这一串矩形脉冲序列的面积将非常接近正各矩形脉冲的宽度是可近似形的面积。= 2 ´ Vcm ´ p´ sin( 2pi - p )diVtmNNN式中 Vcm 为正弦波幅值，Vtm 为三角载波的幅值。这种生成 SPWM 形的方法称为三角波调。可以用模拟电路、数字电路或者两者的混合电路来实现。2.2.3 利用单片机实现的方法随着科学技术地不断更新，单片微型机应用领域不断扩展，某些系列的微型机已经具备了输出 PWM 波形

27、序列的功能。由此，在 SPWM 波形实现方法上有了一定的，使得电子设备的成本大幅降低、体积更小，并容易提高波形输出精度。本文即是利用了单片机内部自带 PWM 模式通过软件编程的方法实现了 SPWM 输出。通过对单片机引脚、各个寄存器初始化，设定了周期、半桥输出模式、输出信号高有效等信息；然而要得到符合要求的 SPWM 波形，设置合适的占空比是关键，根据 SPWM技术原理，其占空比是随着正弦规律不断变化的，因此，载入占空比寄存器的数据必须实时更新。同时，单片机的功能可以在输出波形的同时，对保护电路起到调节作用，提高了系统的效率。9河北大学工学2.3常用的几种逆变电路结构逆变电路设计结构按照主电路

28、拓朴结构分类，可以分为推挽逆变结构、半桥逆变结构、逆变结构三种。2.3.1推挽式逆变电路图 2-7 推挽式电路结构图 2-8 推挽电路波形10第 2 章 正弦脉宽调制(SPWM)技术原理图 2-9 推挽电路感性负载波形图2-7是单相推挽式逆变器的拓朴结构，该电路由两只共负极的功率开关元件和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成，若交流负载为纯阻性负载，当t1tt2 时，VT1 功率管加上栅极驱动信号Ug1，VT1 导通，VT2 截止，变压器输出端感应出正电压；当t3tt4 时，VT2 功率管加上栅极驱动信号Ug2，VT2 导通，VT1 截止，变压器输出端感应出负电压，波形如图 2-8 所示，若负

29、载为感性负载，则变压器内的电流波形连续， 输出电压、电流波形如图 2-9 所示，推挽逆变器的输出只有两种状态 +U0 和 -U0 ，实质上是双极性调制，通过调节 VT1 和 VT2 的占空比来调节输出电压。2.3.2半桥式逆变电路图 2-10 半桥电路拓朴结构半桥式逆变电路的拓朴结构如图 2-10 所示，两只串联电容的中点作为参考点，当开关元件 VT1 导通时，电容 C1 上的能量到负载 RL 上，而当 VT2 导通时，电容 C2上的能量到负载 RL 上，VT1 和 VT2 轮流导通负载两端获得了交流电能，半桥11河北大学工学逆变电路在功率开关元件不导通时承受直流电源电压 Ud，由于电容 C1

30、 和 C2 两端的电压均为 Ud/2（假设 C1=C2），因此功率元件 VT1 和 VT2 承受的电流为 2Id。2.3.4单相式逆变电路图 2-11单相电路拓朴结构图 2-12输出电压、电流波形单相逆变电路又称为“H桥”电路，图2-11为单相逆变电路的拓朴结构，该电路由两个半桥电路组成，我们以方波为例说明单相电路的工作原理。功率开关管Q1 与 Q4 的关断状态是互补的，Q2 与 Q3 的关断状态是互补的，当Q1 与Q3 同时导通时，负载电压Uo= +Ud；当Q2 与Q4 同时导通时，负载两端Uo= -Ud。由此可得， 当Q1、Q3 和Q2、Q4 轮流导通，最终负载两端就能够得到交流电能。如果

31、负载带有一定电感，即负载电流滞后于电压电角度，则在Q1、Q3 功率栅极加上驱动信号之后，由于电流的滞后，此时D1、D3仍会处于导通续流阶段，当经过电角度时，电流过零，电源向负载输送有功功率，同样，当Q2、Q4 加上栅极驱动信号时，D2、D4 仍会处于续流状态，此时能量从负载馈送回直流侧，再经过 电角度后，Q2，Q4 才能真正流过电流。12第 2 章正弦脉宽调制(SPWM)技术原理该电路结构定量分析5如下：把幅值为Ud 的矩形波uo 展开叶级数得：4Upæ11öu =sin wt +sin 3wt +sin 5wt + ¼ç÷d(2-1)o

32、32;35ø其中，的幅值Uo1m 和有效值Uo1 分别为= 4Ud= 1.27UU(2-2)o1mpd= 2 2Ud= 0.9UU(2-3)o1pdUo 为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能通过改变Ud 的值来实现。2.3.5三种电路的比较推挽式方波逆变器的电路拓朴结构简单，两个功率管可共地驱动，但功率管承受开关电压为 2 倍的直流电压，适合应用于直流母线电压较低的场合。另外，变压器的利用率较低，驱动感性负载。半桥型逆变电路结构简单，由于两只串联电容的作用，产生磁偏或直流分量，非常适合后级带动变压器负载。另外，当该电路工作在工频（50 或者 60Hz）时，电容必须选

33、取较大的容量以两个电容器电压的均衡，使电路的成本上升，因此该电路主要用于高频逆变场合。逆变电路共有四个桥臂，可以看两个半桥电路组合而成。其输出电压 Uo的波形与半桥电路的波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=Ud。其在直流电压和负载都相同的情况下，其输出电流 io 的波形也和半桥输出电流波形相同，仅幅值增加一倍。关于无功能量的交换，对于半桥逆变电路的分析也完全适用于逆变电路。因此，逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。鉴于上述分析，本文逆变电路设计中采用逆变电路。13河北大学工学第3章基于SPWM技术的逆变电源设计3.1逆变电源的主要技术指标和电路的组成该逆变电源的主要技术指标：输入

34、电压 DC24V；纯正输出；输出电压 AC220V、50Hz； 最大输出电流 2.5A；最大输出功率不低于 500W；具有保护和欠压指示功能。该逆变电源的原理框图56如图3-1所示。滤波电路SPWWMB2图 3-1 基于PIC16F716 的逆变电源原理框图该逆变电源的组成包括了 DC24V 电源、PWM 波生成电路、推挽驱动升压电路、整流滤波电路、SPWM 波生成电路、驱动电路、SPWM 逆变电路、滤波电路、保护电路等组成。该逆变电源的整机电路原理图见附录。逆变电源的工作原理是电源提供 DC24V，升压电路是将 DC24V 提升到 DC390V 左右，SPWM 逆变电路将 DC390V 逆变

35、成幅度 390V 的单极性 SPWM 波，滤波后得到有效值 AC220V/50Hz 的纯正。在逆变电源中，PWM 波生成电路输出 50KHz 的 PWM波用于升压，SPWM 波生成电路输出单极性 20KHz 的 SPWM 波用于逆变，保护电路可14保护电路PWM1PWMSG3525驱动及PWM输出电路MASPSPWM生成电路负载SPWM逆变电路整流滤波电路高频升压电路24V直流输入第 3 章 基于 SPWM 技术的逆变电源设计完成保护检测和欠压检测。下面将详细各个单元的组成及工作原理。3.2升压电路升压电路是将DC24V提升到DC390V左右，该电路是由PWM波生成电路、推挽驱动升压电路、整流

36、滤波电路组成8，如图3-2所示。200K200K200KD11 FR307F1+24V390VT1C2210420H30A+ C212200u/25VIRFP250N Q1IRFP250N Q2C20 630V/2.2FL1D12 FR307R26TRANS4150KR24R25D13 FR307R35 39R363910K1K1U216151K R32INV- INV+ SYNC OSC-OUT CTVREF VCC OUTBVCC23D14 FR307+24V1413R23 10K45VC+24VC25 104GND 12 6 711IRFP250N Q3IRFP250N Q4R27RTO

37、UTADCHAR SHUTD 10 R33 200/1W8SOFTCOMP 9 R34 1K100+ C23 SG3525 4.7uC24C*R28R*R37 39R3839图 3-2 升压电路升压电路的PWM波生成电路是由PWM的内部结构如图3-3。SG3525及电路组成。SG3525图3-3SG3525内部结构图SG35259-16是SGS-Thomson 公司生产的PWM集成器，可用于直接驱动推挽输出的N沟道功率MOSFET。它采用恒频脉宽调制方案，适合各种开关电源、斩15河北大学工学波器的。SG3525其内部包含了精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器等。包括了实现PWM

38、的所需的基本电路，并含有保护电路。输出恒频相差180°PWM 波，其脉冲宽度可以开环调节，也可闭环调节。图3-2升压电路利用PWM器SG3525上的误差放大器一个反向比例调节器与反馈误差电压闭环调节PWM输出的脉冲宽度。SG3525中的振荡器频率由下式进行计算：1= (F(3-1)0.7 ´ R + R )´ C OSCTDT振荡器频率为输出 PWM 波频率。上式中电阻 RD 为 SG3525 的 Discharge(引脚 7)与 CT(引脚 5)之间外接的一只放电电阻，样本参考值 100，RD、RT 和 CT 决定了振荡器频率。当 Fosc=50KHz、RD=1

39、00 时，RT=2800、CT=0.01uF。SG3524 PWM器有一个5.1V的基准稳压电源Vref，最大输出电流50mA，可作为逆变电源系统电源Vcc。Vcc最大耗电流17.4mA。(74LS08/8.8mA，74LS04/6.6mA，PIC16F716/2mA)。SG3524PWMMOSFET 的栅极。升压电路输出电压的确定：器的PWM波输出可直接驱动后极推挽电路的功率逆变输出电压有效值为 220V，其半波峰值为 1.414 倍，即220V ´1.414 » 311V当 SPWM当 SPWM波对应正峰值，调制度m=1时，要求直流母线电压为311V。峰值，调制度m=0

40、.9时，要求直流母线电压为：波对应正311V» 350V0.9当 SPWM波对应正峰值，调制度m=0.8时，要求直流母线电压为：311V» 390V0.8升压电路中推挽输出功率MOSFET 参数及型号的确定：该逆变电源功率为500W，则 DC24V 电源电流大约为 500W » 21A ，加上10%的损24V耗最大电流约23A。推挽驱动每只臂上的平均电流为总电流的一半，两只功率 MOSFET管并联每上的平均电流为该支路总电流的一半。这样图3-2升压电路中每只功率16第 3 章 基于 SPWM 技术的逆变电源设计MOSFETMOSFET管的平均电流为总电流的四分之一

41、，约6A。漏源电压大于24V。选用功率管 IRFP250N，其主要参数见表3-1。表3-1IRFP250N 参数表高频升压变压器的设计与参数选择将在第五章说明。高频整流选用快恢复二极管 FR307 组成的整流桥。FR307表3-2FR307 参数表的主要参数见表3-2。3.3逆变电路逆变电路是将 DC390V 逆变成有效值为 220V/50Hz 的纯正。该电路是由 SPWM波生成电路、驱动电路、SPWM 逆变电路和滤波电路组成。如图 3-6 驱动电路、逆变和滤波电路。A1图 3-9 SPWMD3 FR157R8 39C101uF+12VU374ALS08 U6A897654C91uFNC VD

42、D HIN SDHO VB VS NC1D4 4.7VU5AVCC3PWMA21011COM2R4PWMA 122CONT 121332R9 2K4.7KLINVCC+12VC5 100pVSS COM NC LO74ALS04141 A2+R10 39 74ALS08IR2110R11 2KU6B4C11 10uF6PWMA1COM1R55D5 4.7V4.7KC6 100pC121uFR12 39 B1 D6 FR157C141uF+12VU474ALS08 U6C8976C131uFNC VDD HIN SD LINHO9D7 4.7VU5BVCCVB8PWMB110115COM3VS

43、4 R6PWMB 3410CONT NC VCC1213324.7K+12VC7 100pR13 2K74ALS04VSS COM NC LO141 B2 R14+ 74ALS08IR2110R15 2K39U6D12C15 10uF11 PWMB2COM1R713D8 4.7V4.7KC8 100pC161uF图 3-4驱动电路17+IF (AV )VRRMTjVF (typ)Trr (typ)3A1000V551.3V500nsVDSSRDS(on)ID200V0.07530A河北大学工学SPWM 波生成电路是单片机 PIC16F716的产生相差为 180°的单中说明。极性 SP

44、WM 波。其工作原理将在第四章内容专门的驱动电路是由死区电路和驱动组成，如图 3-4 驱动电路。3.3.1死区电路1718死区电路的功能是为了防止逆变桥的每个桥臂上有两个电力电子器件同时导通，如果两个电力电子器件同时导通，就会出现电源的短路。理论分析，对于单相桥，SPWM 逆变桥的每一桥臂上有两个电力电子器件是交替导通和截止，而且是同时发生。如果某种使一桥臂的一端导通变截止出现延迟，而另一端截止变导通正常发生，其结果这一桥臂出现瞬间短路。解决的方法是设计带死区的SPWM 波可以防止同一桥臂的上下两个器件同时导通。同一桥臂上，电力电子器件栅极电压的 SPWM 波低变高（即前沿）延迟一段时间，使截

45、止变导通时间后移。而 SPWM变低（即后沿）不变，使导通变截止时间不变。这样可防止同一桥臂上的上下两个器件同时导通。图 3-4驱动电路中，U5、U6 组成死区驱动19-27电路，延迟时间由相应的 R、C 决定。3.3.2驱动采用了两块驱动电路IR2110。IR2110是IR公司生产的高速逆变电路的高压浮动MOS栅极驱动集成电路，可驱动中小功率和MOSFET。IR2110具有的低端和高端输入通道，悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，器件的输入端可与TTL，CMOS相匹配。IR2110最大特点是可以分时驱动一个桥臂上的分别处于高压端和低压端的两个功率器件。图3-5 为IR2110内部

46、功能框图。图3-5IR2110内部功能框图18第 3 章 基于 SPWM 技术的逆变电源设计IR2110高压侧悬浮驱动的自举原理：VddVccVD16VBVM1C17HOS1VM25VS3VCC1LOS2C22COM图3-6IR2110驱动一个桥臂上的两只IR2110驱动一个桥臂上的两只，如图3-6 所示。图中C1、VD1分别为自举电容和二极管，C2为VCC 的滤波电容。假定在 S1关断期间 C1 已充到足够的电压（VC1VCC）。当HIN为高时VM1开通，VM2关断，VC1通过VM1加到S1的栅极和发射极之间，使S1导通。此时VC1可等效为一个电压源。当HIN为低时，VM2开通，VM1断开，

47、相当于S1栅极短接发射极，S1关断。经短暂的死区时间之后，LIN为高，S2导通，VCC经VD1，导通的S2给C1充电。如此循环反复。当S1导通，S2关断时，上通道通过内部高转换电路悬浮在高压侧。图3-4驱动电路中D3、D6选用快恢复二极管FR157，参数见表3-3。表 3-3 FR157 参数表图3-4偏。驱动电路中加入D4、D5、D7和D8可使逆变桥的相应截止时栅极处于反19IF (AV )VRRMTjVF (typ)Trr (typ)1.5A1000V-65 TO +1751.3V250ns河北大学工学3.3.3逆变电路AC220-1PORT11mH3uF/630V C17AC220-2P

48、ORT2390VIMBH60DIMBH60DQ5 A1Q6B16R18 20KCOM2COM3IMBH60D IMBH60D Q7Q8A2B27R19 20KCOM1R20 51/10W图 3-7逆变电路图 3-7 为逆变电路原理图，其主开关器件选用绝缘栅双极型晶体管（）。综合了 MOSFET 和 GTR 的优点，其具有开关速度快，输入阻抗高，驱动功率低， 通流能力强的特点24。逆变电源输出功率为 500W，输出电压为 220V，其额定输出电流为 2.27A，峰值电流最高可达到 3A 左右，考虑负载类型以及电源输出的过载倍数及瞬间短路等情况，型号为 1MBH60D。1MBH60D 的 CE 封

49、有续流二极管，在逆变电路中不需外选用接。其参数见表 3-4。逆变电路的基本工作原理是 Q5、Q7 通断状态互补，Q6、Q8 通断状态也互补。工作过程是假如在 50Hz 的正半周 Q5 导通，Q7 截止；那么在 20KHz 的 SPWM 波Q6、Q8 交替导通或截止。在 50Hz 的负半周 Q6 导通，Q8 截止；那么在 20KHz 的 SPWMQ5、Q7 交替导通或截止。结果在逆变电路输出为单极性 SPWM 波，半波波幅度为直流母线电压，频率包含了 50Hz 和 20KHz 及 20KHz 的波后得 50Hz 的波形序列。谐波。加电抗器滤20R120KR120K第 3 章 基于 SPWM 技术的逆变电源设计表 3-41MBH60D 参数表3.4保护电路的设计该模块主要功能由单片微型机 PIC16F716实现。其电路结构原理图如下 3-8。AHIGHVDOWN1 18 ACK 17OSC2RA2 RA3 RA4 VPP VSS RB0 RB1 RB2 RB3RA1 RA0 OSC1 OSC2 VDD RB7 RB6 RB5 RB4VCK VDOWN231615OSC1 OSC2 Y1 2